2.4.3. Просторове сприйняття звуків людиною

Людина чує двома вухами і тому здатна розрізняти напрям приходу звукових сигналів. Цю здатність слухової системи людини називають бінауральним ефектом. Механізм розпізнавання напрямки приходу звуків складний, і треба сказати, що в його вивченні і способах застосування ще не поставлена крапка.

Розрахунок різниці щляху променів від джерела до лівого та правого вуха

Вуха людини розташовані на відстані один від одного (по ширині голови). Швидкість поширення звукової хвилі невелика ( ) Сигнал, що приходить від джерела звуку, що знаходиться навпроти слухача, приходить в обидва вуха одночасно, і мозок інтерпретує це як розташування джерела сигналу або позаду, або спереду, але не збоку. Якщо ж сигнал приходить від джерела, зміщеного щодо центра голови, то звук приходить в одне вухо раніше, ніж в друге, що дозволяє мозку інтерпретувати це як прихід сигналу ліворуч або праворуч і навіть приблизно визначити кут приходу. Чисельно різниця в часі приходу сигналу в ліве і праве вухо, складова від 0 до 1 мс, зміщує уявний джерело звуку в бік того вуха, що сприймає сигнал раніше. Такий спосіб визначення напрямку приходу звуку використовується мозком в смузі частот від 300 Гц до 1 кГц. Напрямок приходу звуку для частот вище 1 кГц визначається мозком людини шляхом аналізу гучності звуку. Справа в тому, що звукові хвилі з частотою вище 1 кГц швидко загасають в повітряному просторі. Тому інтенсивність звукових хвиль, що доходять до лівого і правого вуха слухача, відрізняються, що дозволяє мозку визначати напрям приходу сигналу з різниці амплітуд. Якщо звук в одному вусі чути краще, ніж в іншому, отже, джерело звуку знаходиться з боку того вуха, в якому він чути краще. Підмогою у визначенні напрямку приходу звуку є здатність людини повернути голову в бік уявного джерела звуку, щоб перевірити вірність визначення. Здатність мозку визначати напрямок приходу звуку з різниці в часі приходу сигналу в ліве і праве вухо, а також шляхом аналізу гучності сигналу використовується в стереофонії.

Маючи всього два джерела звуку, можна створити у слухача відчуття наявності уявного джерела звуку між двома фізичними. Причому цей уявний джерело можна "розташувати" в будь-якій точці на лінії, що з'єднує дві фізичні джерела. Для цього потрібно відтворити одну аудіозапис (наприклад, зі звуком рояля) через обидва фізичних джерела, але зробити це з деякою тимчасовою затримкою в одному з них і відповідної різницею в гучності. Грамотно використовуючи описаний ефект, можна за допомогою двоканальної аудіозаписи донести до слухача майже таку картину звучання, яку він відчув би сам, особисто присутній, наприклад, на якомусь концерті. Таку двоканальну запис називають стереофонічної. Одноканальна же запис називається монофонічною.

Насправді для якісного донесення до слухача реалістичного просторового звучання звичайної стереофонічної записи не завжди достатньо. Основна причина цього криється в тому, що стереосигнал, що приходить до

Механізм локалізації у горизонтальній площині а) різниця приходження променів по часу б) різниця по інтенсивності

слухача від двох фізичних джерел звуку, визначає розташування уявних джерел лише в тій площині, в якій розташовані реальні фізичні джерела звуку. Природно, "оточити слухача звуком" при цьому не вдається. З тієї ж причини помилкою є і думка про те, що об'ємне звучання забезпечується квадрофонічною (чотирьохканальною) системою (два джерела перед слухачем і два позаду нього). В цілому шляхом виконання багатоканального запису нам вдається лише донести до слухача той звук, яким він був "почутий" розставленої нами звукосприймаючою апаратурою (мікрофонами). Для відтворення ж більш-менш реалістичного, дійсно об'ємного звучання вдаються до принципово інших підходів, в основі яких лежать більш складні прийоми, що моделюють особливості слуховий системи людини, а також фізичні особливості і ефекти передачі звукових сигналів в просторі.

Спектральні відмінності

Найбільша гострота локалізації досягається при сприйнятті складних звуків і звукових імпульсів, коли, крім розглянуто них раніше причин, позначається ще і спектральний фактор. На приклад, якщо звук, що приходить під кутом 90 ° на найближче вухо, містить як низькочастотні, так і високочастотні складові, то в спектрі звуку, діючого на далеке вухо, високочастотних складових буде менше, так як на цих частотах впливає тіньова дія голови. Крім того, самі вушні раковини виробляють складну фільтрацію звуку, що залежить від його частоти. Істотне значення для локалізаціі має також енергія перехідних процесів, причому найбільше значення має наявність в звуці низькочастотних складових перехідного процесу. Тому при прослуховуванні музичних і мовних сигналів зміна спектрального складу сигналу (а отже, і його тембру) залежно від розташування джерела допомагає в його локалізації.

В цілому аналіз здатності до локалізації в горизонтальній площині показує, що найменший відчутний кут відхилення джерела при сприйнятті звукових імпульсів становить близько 3ꞌ. Цю величину слід вважати кутовий, або бінауральної, роздільною здатністю слуху. Однак слух зауважує кутове зміщення на 3", але при визначенні напрямку робить помилку в середньому на 12 °. Тому точність локалізації має величину 12 "для джерел, що знаходяться в передній полуплос кістки; для джерел, розташованих позаду слухача, ця точ ність ще менше.

Вертикальна (висотна) локалізація

Здатність опре делять напрям приходу звуку у вертикальній площині у че ловека розвинена значно слабше, ніж в горизонтальній. Вона зі ставлять 10-15 ° (в порівнянні з 3 ° в горизонтальній). Цю здатність пов'язують зазвичай з орієнтацією і формою вушних ра Ковин. Вушна рако вина діє як фільтр, вносячи максимальні спотворений ня в області 6-16 кГц, при чому форма цих спотворень залежить від того, спереду або ззаду знаходиться джерело звуку і під яким кутом по піднесення він розташований в ме діанной площині.

Глибинна локалізація (оцінка відстані до джерела).

При зміні відстані до джерела змінюються одночасно гучність і тембр, що і служить розрізни тільних ознаками. Загальна точність глибинної локалізації не дуже велика, при зміщенні широкосмугового звукового джерела від 50 до 150 см помилки становлять 15-30%;

Серед основних факторів, що визначають оцінку глибини, можна виділити наступні:

- Зменшення рівня звукового тиску з відстанню. П ри відсутності візуального контролю в умовах вільного поля вирішальним ознакою, за яким оцінюється відстань до джерела, є рівень звукового го тиску в місці розташування експерта.

- Загасання звуку, яке починає позначатися при великих відстанях, прохідних звуковою хвилею (більше 15 м). При е. тому високочастотні складові загасають швидше і спектральний склад сигналу при видаленні джерела змінюється (тембр стає «темніше»).

- На близькій відстані (менше 3 м) на глибинну локалізацію починає впливати також дифракція на вушній раковині і голові, тобто позначаються різниці рівнів інтенсивностей (вище 1500 Гц) і тимчасові затримки (нижче 1500 Гц), як і в попередніх випадках.

Таким чином, істотну роль для глибинної локалізації грає власний досвід: якщо слухачеві знайомий сигнал або якщо він має можливість зробити візуальну оцінку, тоді точність глибинної локалізації багаторазово збільшується.

Точність глибинної локалізації звукового джерела значи тельно підвищується в закритому приміщенні. При пере розміщенні звукового джерела по глибині змінюється ставлення енергії прямого звуку до енергії відбитого (ревербераційній) звуку, що допомагає точніше визначити відстань до джерела.

Найважливіше значення має також різниця за часом між при ходом прямого звуку і приходом перших відбиттів і співвідношення їх за рівнями.